一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置及方法

本发明涉及一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置及方法，属于原子磁强计。

背景技术：

1、原子磁强计在极弱磁场测量领域具有高超的灵敏度优势，在基础物理研究、磁异常探测、生物医疗等领域有着广泛的应用。碱金属气室作为原子磁强计的核心敏感元件，其内部的碱金属原子数密度对原子磁强计性能有重要影响。为了达到磁强计运行所需的原子数密度需要加热碱金属气室并实时监测碱金属气室的温度，常用的气室温度测量方式是基于电阻式温度传感器的接触式测温。然而，该方法由于需要驱动电流，不仅会引入额外的磁噪声而且只能测量碱金属气室表面的温度而不是气室内部的温度。基于光吸收的非接触式测量方法利用原子磁强计内部的抽运或检测激光实时检测气室内部的原子数密度，可以很好地解决这一问题。但对这一方法的应用目前主要为单光束原子磁强计，在双光束原子磁强计中还没有应用方案。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置及方法，为光吸收测温在双光束原子磁强计中的应用提供一种可行的方案。在无需温度传感器，不额外增加硬件的前提下，实现对碱金属气室温度的精确测量与控制。利用光旋角差分检测信号得到检测光透射碱金属气室的光强衰减率。结合光传播公式与饱和蒸气压公式，计算得到碱金属气室内部的温度与原子数密度，从而实现对气室温度的精确测量与控制。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，包括在碱金属气室检测光入射侧设置的分光棱镜，和在碱金属气室检测光出射侧设置的偏振分光棱镜，所述分光棱镜通过第三光电探测器连接除法电路的第一输入端，所述偏振分光棱镜的反射侧通过第一光电探测器分别连接加法电路的第一输入端和差分放大器的同相输入端，所述偏振分光棱镜的透射侧通过第二光电探测器分别连接加法电路的第二输入端和差分放大器的反相输入端，所述差分放大器的输出端连接数据采集模块，所述加法电路的输出端分别连接数据采集模块和所述除法电路的第二输入端，所述除法电路的输出端连接pid控制模块，所述pid控制模块通过加热电路连接作用于所述碱金属气室的加热装置。

4、

5、iout＝i1+i2

6、

7、

8、v0＝2gηiine-nσ(v)lθ

9、其中i1是入射至第一光电探测器的光强，i2是入射至第二光电探测器的光强，iout是透射碱金属气室后的检测光光强，θ是感应磁场后原子进动产生的旋光角，iin是第三光电探测器检测的光强即碱金属气室检测光入射光强，n是碱金属原子数密度，σ(ν)为与入射光频率相关的碱金属原子吸收截面积，l为检测光在碱金属气室内传播的光程，t是温度，a和b是与碱金属原子相关的系数，v0是双光束原子磁强计稳态输出信号，g为光电探测器输入光强与输出电压之间的转换系数，η为气室玻璃对检测光强的衰减系数。

10、所述碱金属气室位于加热装置内。

11、所述偏振分光棱镜的输入侧通过1/2波片连接碱金属气室检测光出射侧，所述偏振分光棱镜的反射侧通过反射镜连接所述第一光电探测器，所述分光棱镜的输入侧通过线偏振片连接第一光纤准直器，所述第一光纤准直器通过保偏光纤连接检测光激光器。

12、所述碱金属气室的抽运光通过保偏光纤与第二光纤准直器导入原子磁强计样机，经过线偏振片与1/4波片后产生极化原子的圆偏振抽运光。

13、所述线偏振片与1/4波片之间的夹角为45°。

14、检测光频率在碱金属原子d1线附近失谐40～70ghz。

15、抽运光频率在碱金属原子d1线共振频率附近。

16、一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控方法，其特征在于，包括使用上述基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置。

17、包括以下步骤：

18、步骤1，调节检测光激光器的出射线偏振检测光频率至所使用碱金属原子d1线附近失谐50ghz，将该激光作为光源耦合到保偏光纤中导入双光束原子磁强计，经过分光棱镜的反射光束由第三光电探测器检测记录入射碱金属气室前的激光光强iin，透射分光棱镜的激光光束入射碱金属气室，被碱金属蒸汽吸收后经过1/2波片与偏振分光棱镜，经过偏振分光棱镜的反射光强i1由第一光电探测器1检测，透射偏振分光棱镜的激光光强i2由第二光电探测器检测；

19、步骤2，调节抽运光激光器的出射线偏振检测光频率至所使用碱金属原子d1线共振频率附近，该光束经过线偏振片与1/4波片后转换为圆偏振光作为抽运光束入射碱金属气室；

20、步骤3，将第一光电探测器与第二光电探测器检测到的光强i1与i2相加后得到检测光透射光强iout，将iout分别输入数据采集模块与除法电路，同时入射气室前的检测光强也被输入除法电路，其输出信号反映了检测光透射碱金属气室光强的衰减率，将检测光强衰减率信号输入pid控制模块后进一步计算碱金属气室内部的原子数密度与温度；

21、步骤4，将运算得到的碱金属气室内部温度作为检测量带入pid控制模块中的温度控制程序得到电加热驱动电路的控制信号，利用电加热驱动电路驱动碱金属气室加热装置实现对碱金属气室温度的精确控制；

22、步骤5，将差分放大器得到的双光束原子磁强计的磁场响应信号与检测光透射光强信号相除可以得到消除光强波动后的原子磁强计磁场响应信号，实现对光强噪声信号波动的抑制。

23、本发明的技术效果如下：本发明提出一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置及方法，为光吸收测温在双光束原子磁强计中的应用提供一种可行的方案。在无需温度传感器，不额外增加硬件的前提下，实现对碱金属气室温度的精确测量与控制。利用偏振分光棱镜输出的共模信号得到检测光透射碱金属气室的光强损失。结合光传播公式与饱和蒸气压公式，计算得到碱金属气室内部的温度与原子数密度，从而实现对气室温度的精确测量与控制。

24、本发明与现有技术相比的优点在于：

25、(1)常规的接触式测温方法不仅会引入额外的磁噪声，而且只能测量玻璃气室的表面温度不能测量气室内部的温度；本发明为光吸收方法在双光束原子磁强计中的应用提供了一种可行的方法，在不影响原子磁强计正常工作的前提下实现了对气室内部温度的精确测量与控制；

26、(2)本发明减少了原子磁强计气室附近的电磁元件，不仅减少了磁强计内部的磁噪声而且减小了样机体积，有利用原子磁强计的小型化与集成化设计；

27、(3)本发明利用测温环节中检测到的透射光强实现对原子磁强计响应信号中光强波动噪声的抑制。

技术特征：

1.一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，包括在碱金属气室检测光入射侧设置的分光棱镜，和在碱金属气室检测光出射侧设置的偏振分光棱镜，所述分光棱镜通过第三光电探测器连接除法电路的第一输入端，所述偏振分光棱镜的反射侧通过第一光电探测器分别连接加法电路的第一输入端和差分放大器的同相输入端，所述偏振分光棱镜的透射侧通过第二光电探测器分别连接加法电路的第二输入端和差分放大器的反相输入端，所述差分放大器的输出端连接数据采集模块，所述加法电路的输出端分别连接数据采集模块和所述除法电路的第二输入端，所述除法电路的输出端连接pid控制模块，所述pid控制模块通过加热电路连接作用于所述碱金属气室的加热装置。

2.根据权利要求1所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，包括：

3.根据权利要求1所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，所述碱金属气室位于加热装置内，所述加热装置位于坡莫合金磁屏蔽桶内。

4.根据权利要求1所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜的输入侧通过1/2波片连接碱金属气室检测光出射侧，所述偏振分光棱镜的反射侧通过反射镜连接所述第一光电探测器，所述分光棱镜的输入侧通过线偏振片连接第一光纤准直器，所述第一光纤准直器通过保偏光纤连接检测光激光器。

5.根据权利要求1所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，所述碱金属气室的抽运光入射侧通过组合波片连接第二光纤准直器，所述第二光纤准直器通过保偏光纤连接抽运光激光器。

6.根据权利要求5所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，所述的线偏振片与1/4波片之间的夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，检测光频率在碱金属原子d1线附近失谐40～70ghz。

8.根据权利要求1所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置，其特征在于，抽运光频率在碱金属原子d1线共振频率附近。

9.一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控方法，其特征在于，包括使用上述权利要求1-8之一所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置。

10.根据权利要求9所述的基于光吸收的双光束原子磁强计温控方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
一种基于光吸收的双光束原子磁强计温控装置及方法，为光吸收测温在双光束原子磁强计中的应用提供一种可行的方案。在无需温度传感器，不额外增加硬件的前提下，实现对碱金属气室温度的精确测量与控制。利用光旋角差分检测信号得到检测光透射碱金属气室的光强损失。结合光传播公式与饱和蒸气压公式，计算得到碱金属气室内部的温度与原子数密度，从而实现对气室温度的精确测量与控制。

技术研发人员：李建利,刘子傲,陆吉玺,李晓昱,闫一凡
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16